OEM 업체와 설계 엔지니어가 모터, 드라이브 및 컨트롤러에 대해 알아야 할 사항.

디자이너들이 동작 중심 기계를 개선하든 새로운 기계를 만들든, 동작 제어를 염두에 두고 설계를 시작하는 것이 필수적입니다. 그래야만 효과적이고 효율적인 자동화를 구현하는 최적의 방법을 중심으로 설계를 발전시킬 수 있습니다.

동작 기반 기계는 핵심 기능을 중심으로 설계 및 제작되어야 합니다. 예를 들어 특정 권선 작업에 의존하는 인쇄기의 경우, 설계자는 핵심 부품에 집중하고 나머지 부분은 핵심 기능을 지원하도록 개발해야 합니다.

이는 설계 엔지니어링의 기초처럼 들리지만, 시장 출시 압박과 기계, 전기, 소프트웨어 부서로 분리된 팀 구조 때문에 설계 과정이 선형적인 절차로 회귀하기 쉽습니다. 하지만 모션 제어를 염두에 두고 설계하려면 초기 개념 개발, 시스템 토폴로지 및 기계 방식 결정, 연결 인터페이스 및 소프트웨어 아키텍처 선택을 포함하는 메카트로닉스 접근 방식이 필요합니다.

다음은 엔지니어가 모든 기계 설계 프로젝트의 시작 단계부터 고려해야 할 모터, 드라이브, 컨트롤러 및 소프트웨어의 몇 가지 필수적인 측면입니다. 이러한 요소들을 통해 비효율성, 오류 및 비용을 줄이고 OEM 업체가 고객 문제를 더 짧은 시간 안에 해결할 수 있습니다.

【디자인 프로세스】

부품이 어떻게, 어디로 움직이는지는 엔지니어들이 엔지니어링 노력의 대부분을 쏟는 부분이며, 특히 혁신적인 기계를 개발할 때 더욱 그렇습니다. 혁신적인 설계는 가장 많은 시간이 소요되지만, 특히 팀이 최신 가상 엔지니어링 및 모듈식 설계를 활용할 경우 가장 높은 투자 수익률(ROI)을 제공하는 경우가 많습니다.

기계를 처음부터 개발할 때 가장 먼저 해야 할 일은 "이 기계의 핵심 기능은 무엇인가?"라는 질문을 던지는 것입니다. 청소가 쉬운 기계, 유지보수가 적은 기계, 또는 높은 정확도를 갖춘 기계 등이 핵심 목표일 수 있습니다. 필요한 기능, 성능 또는 유지보수 수준을 제공할 수 있는 기술을 파악해야 합니다.

해결해야 할 문제가 복잡할수록 가장 중요한 기능을 파악하기가 더욱 어려워집니다. 핵심적인 세부 사항을 정의하고 적절한 접근 방식을 결정하는 데 도움을 줄 수 있는 모션 중심 자동화 솔루션 제공업체와 협력하는 것을 고려해 보세요.

그다음에는 "기계의 표준 기능은 무엇인가?"라고 질문해 보세요. 앞서 언급한 인쇄기 사례를 다시 살펴보면, 인쇄 재료를 풀기 위해 사용되는 장력 및 센서 제어 기능은 상당히 표준적입니다. 실제로 새 기계의 작업 중 약 80%는 기존 기계의 작업 변형에 불과합니다.

모듈형 하드웨어와 코드 프로그래밍을 사용하여 표준 기능에 필요한 엔지니어링 요구 사항을 처리하면 프로젝트 완료에 필요한 설계 리소스를 크게 줄일 수 있습니다. 또한 오랜 시간 검증된 기능을 사용하므로 신뢰성이 향상되고 설계의 더욱 복잡한 부분에 집중할 수 있습니다.

모듈형 하드웨어 및 소프트웨어로 표준 기능을 제공할 수 있는 모션 제어 파트너와 협력하면 경쟁 제품과 차별화되는 부가 가치 기능에 집중할 수 있습니다.

일반적인 설계 프로젝트에서 기계 엔지니어는 기계의 구조와 기계 부품을 제작하고, 전기 엔지니어는 구동 장치, 배선 및 제어 장치를 포함한 전자 장치를 추가하며, 소프트웨어 엔지니어는 코드를 작성합니다. 오류나 문제가 발생할 때마다 프로젝트 팀은 되돌아가서 수정해야 합니다. 설계 과정에서 변경 사항이나 오류에 따라 설계를 다시 하는 데 많은 시간과 에너지가 소모됩니다. 다행히 CAD 소프트웨어를 사용한 기계 설계와 부서 간 분리된 계획 및 설계 방식은 거의 과거의 유물이 되었습니다.

오늘날 가상 엔지니어링을 통해 팀은 여러 병렬 경로를 사용하여 기계의 작동 방식을 설계할 수 있으므로 개발 주기와 시장 출시 시간을 획기적으로 단축할 수 있습니다. 디지털 트윈(기계의 가상 표현)을 생성함으로써 각 부서는 독립적으로 작업하면서 나머지 팀과 동시에 부품 및 제어 시스템을 개발할 수 있습니다.

디지털 트윈을 사용하면 엔지니어는 기계의 다양한 설계는 물론 기계 기술까지 신속하게 테스트할 수 있습니다. 예를 들어, 원하는 양만큼 재료가 공급될 때까지 기계 공급 장치에 재료를 투입한 다음 절단해야 하는 공정이 있다고 가정해 보겠습니다. 이 경우 재료를 절단해야 할 때마다 공급을 중지하는 방법을 찾아야 합니다. 이러한 문제를 해결하는 방법은 여러 가지가 있으며, 각 방법은 기계의 전체 작동 방식에 영향을 미칠 수 있습니다. 디지털 트윈을 사용하면 다양한 해결책을 시도하거나 구성 요소의 위치를 ​​변경하여 작동에 미치는 영향을 간단하게 확인할 수 있으므로 프로토타입 제작 과정을 더욱 효율적이고 간소화할 수 있습니다.

가상 엔지니어링을 통해 설계 팀은 전체 기계와 그 안에 중첩된 개념들이 어떻게 상호 작용하여 특정 목표를 달성하는지 모두 확인할 수 있습니다.

【토폴로지 선택】

여러 기능을 갖춘 복잡한 설계, 다축 운동 및 다차원 움직임, 그리고 빠른 출력 및 처리량은 시스템 토폴로지를 매우 복잡하게 만듭니다. 중앙 집중식 컨트롤러 기반 자동화와 분산식 드라이브 기반 자동화 중 어떤 것을 선택할지는 설계 대상 기계의 특성에 따라 달라집니다. 기계의 전체적인 기능과 부분적인 기능 모두 중앙 집중식 또는 분산식 토폴로지를 선택하는 데 영향을 미칩니다. 캐비닛 공간, 기계 크기, 주변 환경 조건, 심지어 설치 시간까지도 이러한 결정에 영향을 미칩니다.

중앙 집중식 자동화. 복잡한 기계의 동작 제어를 통합적으로 구현하는 가장 좋은 방법은 컨트롤러 기반 자동화입니다. 동작 제어 명령은 일반적으로 EtherCAT과 같은 표준 실시간 버스를 통해 특정 서보 인버터로 전달되며, 인버터가 모든 모터를 구동합니다.

컨트롤러 기반 자동화를 사용하면 여러 동작 축을 조정하여 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다. 동작이 기계의 핵심이고 모든 부품이 동기화되어야 하는 경우에 이상적인 구성입니다. 예를 들어 로봇 팔을 정확한 위치에 배치하기 위해 각 동작 축이 특정 위치에 있어야 하는 경우 컨트롤러 기반 자동화를 선택할 가능성이 높습니다.

분산형 자동화. 더욱 소형화된 기계와 기계 모듈을 통해 분산형 모션 제어는 기계 제어 장치의 부하를 줄이거나 없앱니다. 대신, 소형 인버터 드라이브가 분산 제어 역할을 담당하고, I/O 시스템이 제어 신호를 평가하며, EtherCAT과 같은 통신 버스가 종단 간 네트워크를 구성합니다.

분산형 자동화는 기계의 각 부분이 작업을 완료하는 책임을 맡고 중앙 제어 장치에 지속적으로 보고할 필요가 없을 때 이상적입니다. 각 부분은 빠르고 독립적으로 작동하며, 작업이 완료되면 중앙 제어 장치에 보고합니다. 이러한 구성에서는 각 장치가 자체적인 부하를 처리하기 때문에 전체 기계는 분산된 처리 능력을 더욱 효과적으로 활용할 수 있습니다.

중앙 집중식 및 분산식 제어. 중앙 집중식 자동화는 조정 기능을 제공하고 분산식 자동화는 보다 효율적인 분산 처리 능력을 제공하지만, 때로는 두 가지를 조합하는 것이 최선의 선택입니다. 최종 결정은 비용 대비 가치, 처리량, 효율성, 장기적인 신뢰성, 안전 사양 등 전반적인 요구 사항에 따라 달라집니다.

프로젝트가 복잡해질수록 다양한 측면에 대해 조언을 제공할 수 있는 모션 제어 엔지니어링 파트너를 확보하는 것이 더욱 중요해집니다. 기계 제작자가 비전을 제시하고 자동화 파트너가 도구를 제공할 때 최상의 솔루션을 얻을 수 있습니다.

【기계 네트워킹】

모션 제어를 염두에 두고 설계할 때, 깔끔하고 미래 지향적인 상호 연결성을 구축하는 것 또한 중요한 단계입니다. 통신 프로토콜은 모터와 드라이브의 위치만큼이나 중요합니다. 왜냐하면 구성 요소의 기능뿐만 아니라 모든 구성 요소를 어떻게 연결하는지도 중요하기 때문입니다.

효율적인 설계는 배선의 개수와 이동 거리를 줄여줍니다. 예를 들어, 원격 터미널로 연결되는 10~15개의 배선을 EtherCAT과 같은 산업용 통신 프로토콜을 사용하는 이더넷 케이블로 대체할 수 있습니다. 이더넷이 유일한 선택지는 아니지만, 어떤 프로토콜을 사용하든 공통 프로토콜을 사용할 수 있도록 적절한 통신 도구 또는 버스를 확보해야 합니다. 적합한 통신 버스를 선택하고 모든 배선을 어떻게 배치할지 미리 계획하면 향후 확장이 훨씬 수월해집니다.

처음부터 캐비닛 내부 설계에 심혈을 기울여야 합니다. 예를 들어, 자기 간섭의 영향을 받을 수 있는 전자 부품 근처에 전원 공급 장치를 두지 마십시오. 높은 전류나 주파수를 사용하는 부품은 배선에 전기적 노이즈를 발생시킬 수 있습니다. 따라서 최적의 작동을 위해서는 고전압 부품과 저전압 부품을 멀리 떨어뜨려 놓아야 합니다. 또한, 네트워크가 안전 등급을 충족하는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우, 한 부품에 문제가 발생하더라도 나머지 부품이 자체적으로 고장을 감지하고 대응할 수 있도록 하드웨어 방식으로 이중화된 안전 연결을 구축해야 할 가능성이 높습니다.

산업용 사물 인터넷(IIoT)이 확산됨에 따라, 여러분이나 고객사가 아직 활용할 준비가 되지 않았을 수도 있는 고급 기능을 추가하는 것을 고려해 보세요. 기계에 이러한 기능을 내장하면 나중에 기계를 업그레이드하기가 더 쉬워집니다.

【소프트웨어】

업계 추산에 따르면, OEM 업체들은 머지않아 기계 개발 시간의 50~60%를 소프트웨어 요구사항에 할애해야 할 것으로 예상됩니다. 기계 설계 중심에서 인터페이스 중심으로의 이러한 변화는 소규모 기계 제조업체들에게는 경쟁력 약화를 초래할 수 있지만, 모듈형 소프트웨어와 표준화된 개방형 프로토콜을 도입하려는 기업들에게는 공정한 경쟁의 장을 제공할 수도 있습니다.

소프트웨어 구성 방식은 기계가 현재와 미래에 할 수 있는 일을 확장하거나 제한할 수 있습니다. 모듈형 하드웨어처럼 모듈형 소프트웨어는 기계 제작 속도와 효율성을 향상시킵니다.

예를 들어, 기계를 설계하는데 두 단계 사이에 추가 단계를 넣고 싶다고 가정해 봅시다. 모듈형 소프트웨어를 사용한다면 재프로그래밍이나 재코딩 없이 간단히 구성 요소를 추가할 수 있습니다. 또한, 동일한 작업을 수행하는 섹션이 6개 있다면 코드를 한 번만 작성하여 6개 섹션 모두에서 사용할 수 있습니다.

모듈형 소프트웨어를 사용하면 설계 효율성이 향상될 뿐만 아니라 엔지니어는 고객이 원하는 유연성을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 고객이 다양한 크기의 제품을 처리할 수 있는 기계를 원하고 가장 큰 크기의 제품을 처리하려면 특정 부분의 작동 방식을 변경해야 한다고 가정해 보겠습니다. 모듈형 소프트웨어를 사용하면 설계자는 기계의 나머지 기능에 영향을 주지 않고 해당 부분을 간단히 교체할 수 있습니다. 이러한 변경 사항은 자동화되어 OEM 또는 고객이 기계 기능을 신속하게 전환할 수 있도록 할 수 있습니다. 모듈이 이미 기계에 장착되어 있으므로 다시 프로그래밍할 필요가 없습니다.

기계 제조업체는 각 고객의 고유한 요구 사항을 충족하기 위해 표준 기본 기계에 다양한 선택 사양을 제공할 수 있습니다. 기계, 전기 및 소프트웨어 모듈 포트폴리오를 개발하면 구성 가능한 기계를 신속하게 조립하는 것이 더 쉬워집니다.

모듈형 소프트웨어의 효율성을 극대화하려면, 특히 여러 공급업체를 이용하는 경우 업계 표준을 준수하는 것이 필수적입니다. 드라이브 및 센서 공급업체가 업계 표준을 따르지 않으면 해당 구성 요소들이 서로 통신할 수 없게 되고, 부품 연결 방법을 파악하는 데 시간을 허비하게 되어 모듈형 소프트웨어의 모든 효율성이 무용지물이 됩니다.

또한 고객이 데이터 스트림을 클라우드 네트워크에 연결할 계획이라면, 기기가 다른 기기와 호환되고 클라우드 서비스와 연동될 수 있도록 모든 소프트웨어가 업계 표준 프로토콜을 사용하여 개발되는 것이 필수적입니다.

OPC UA와 MQTT는 가장 일반적인 표준 소프트웨어 아키텍처입니다. OPC UA는 기계, 컨트롤러, 클라우드 및 기타 IT 장치 간의 거의 실시간 통신을 가능하게 하며, 통합적인 통신 인프라에 가장 가까운 형태라고 할 수 있습니다. MQTT는 두 애플리케이션 간의 통신을 가능하게 하는 보다 경량화된 IIoT 메시징 프로토콜입니다. 주로 단일 제품 내에서 사용되며, 예를 들어 센서나 드라이브가 제품에서 정보를 추출하여 클라우드로 전송하는 데 활용됩니다.

【클라우드 연결】

상호 연결된 폐쇄형 시스템 기계가 여전히 대다수를 차지하지만, 클라우드에 완전히 연결된 네트워크형 공장이 점점 인기를 얻고 있습니다. 이러한 추세는 예측 유지보수 및 데이터 기반 생산 수준을 높일 수 있으며, 공장 소프트웨어의 차세대 주요 변화입니다. 그 시작은 원격 연결성입니다.

클라우드 네트워크로 연결된 공장은 다양한 공정, 생산 라인 등의 데이터를 분석하여 생산 공정에 대한 더욱 완벽한 정보를 생성합니다. 이를 통해 여러 생산 시설의 전체 설비 효율(OEE)을 비교할 수 있습니다. 최첨단 OEM 업체들은 신뢰할 수 있는 자동화 파트너와 협력하여 최종 사용자가 필요로 하는 데이터를 전송할 수 있는 모듈형 인더스트리 4.0 기능을 갖춘 클라우드 지원 장비를 제공합니다.

기계 제조업체에게 있어 모션 제어 자동화를 활용하고 고객의 공장이나 기업의 효율성을 높이기 위해 전체적인 공정 접근 방식을 취하는 것은 더 많은 사업 기회를 창출하는 데 도움이 될 것입니다.